Quantum computer thường cố nhồi thêm qubit lên một chip: Prototype mới đặt cược vào cách nối những “viên kim cương” bằng ánh sáng

Thêm qubit vào một quantum processor không chỉ là bài toán “làm chip lớn hơn”. Mỗi qubit mới kéo theo dây điều khiển, nhiễu xuyên kênh, yêu cầu hiệu chuẩn và một hệ thống cryogenic ngày càng khó quản lý. Vì vậy, thay vì xem một con chip chứa thật nhiều qubit là con đường duy nhất để scale, Fujitsu cùng Delft University of Technology và QuTech đang thử một kiến trúc khác: tạo những module lượng tử nhỏ bằng kim cương, rồi thiết kế chúng để có thể kết nối với nhau bằng ánh sáng.

Ngày 8/9/2026, Fujitsu công bố prototype diamond-spin quantum computer sử dụng tin-vacancy center (SnV) — một khuyết tật có chủ đích trong mạng tinh thể kim cương — và tích hợp các tâm này với mạch quang trên chip. Hệ thống có thể thực hiện quantum gate và được điều khiển qua Fujitsu Hybrid Quantum Computing Platform. Nhưng có một chi tiết cần nói rõ ngay: prototype hiện tại là một module đơn. Hệ thống nhiều module nối quang vẫn là mục tiêu tiếp theo mà Fujitsu đặt ra cho năm 2027.

“Qubit trong kim cương” thực ra là gì?

Kim cương ở đây không đóng vai trò trang sức hay chỉ đơn thuần là một vật liệu nền cứng. Nhóm nghiên cứu khai thác những cấu trúc gọi là color center: các sai hỏng có kiểm soát trong mạng tinh thể, nơi một nguyên tử tạp chất và các vị trí nguyên tử bị thiếu tạo ra những mức năng lượng có thể thao tác bằng ánh sáng và trường điện từ.

Trong prototype mới, Fujitsu dùng SnV center, gồm một nguyên tử thiếc nằm giữa hai vacancy liền kề. Spin của electron tại color center có thể đóng vai trò qubit giao tiếp; các spin hạt nhân gần đó, chẳng hạn ¹³C, có thể dùng như qubit lưu trữ trạng thái lâu hơn. Ý tưởng của một module diamond-spin vì thế không chỉ là “một qubit trong một viên kim cương”, mà là một thanh ghi lượng tử nhỏ có qubit electron, qubit hạt nhân, hệ điều khiển microwave/RF và giao diện quang học.

Trước đây, nitrogen-vacancy center (NV) là lựa chọn phổ biến trong nhiều thí nghiệm diamond-spin. Fujitsu chuyển sang SnV vì cấu trúc đối xứng của nó ít nhạy hơn với một số dạng nhiễu điện tích và, theo dữ liệu công ty công bố, phát photon hiệu quả hơn khoảng 10 lần so với NV trong cấu hình họ sử dụng. Với một kiến trúc cần photon để đọc và kết nối qubit, độ sáng này không phải chi tiết phụ: photon thu được càng hiệu quả, giao diện giữa qubit vật chất và đường truyền quang càng dễ sử dụng.

Điểm mới nằm ở việc đưa kim cương vào mạch quang

Để một color center có thể trở thành thành phần của máy tính lượng tử có khả năng mở rộng, photon do nó phát ra phải được thu và dẫn đi với tổn hao thấp. Fujitsu cho biết họ đã phát triển quy trình gắn kim cương chất lượng cao đã cấy thiếc lên nền alumina/silicon dioxide, sau đó làm mỏng lớp kim cương từ độ dày hàng trăm micromet xuống còn hàng trăm nanomet.

Phần kim cương mỏng chứa SnV được ghép với ống dẫn sóng quang bằng alumina. Alumina được chọn vì trong dải ánh sáng nhìn thấy dùng cho điều khiển và tín hiệu của SnV, vật liệu này có thể tạo waveguide với tổn hao thấp. Kết quả là photon phát ra từ color center có đường đi được định hình ngay trên chip thay vì phải thu hoàn toàn bằng hệ quang học rời bên ngoài.

Đây là một trong những khác biệt quan trọng giữa một thí nghiệm color-center riêng lẻ và một kiến trúc hướng tới scale: qubit, giao diện photon và đường dẫn quang phải được chế tạo thành một hệ tích hợp có thể lặp lại. Các công trình trước đó của nhóm Fujitsu–TU Delft cũng đã tập trung vào công nghệ bonding kim cương với vật liệu quang học và vào việc tích hợp điều khiển cryogenic, cho thấy prototype 2026 là kết quả của nhiều lớp kỹ thuật chứ không chỉ một phép đo spin mới.

Vì sao ánh sáng có thể thay cho việc “nhồi” tất cả qubit lên một chip?

Trong kiến trúc modular quantum computing, mỗi module giữ một số qubit có thể thực hiện thao tác cục bộ với fidelity cao. Khi hai module cần cùng tham gia một phép tính, photon được dùng để tạo entanglement giữa các qubit giao tiếp ở xa nhau. Entanglement đó sau đó trở thành tài nguyên để thực hiện các cổng lượng tử không cục bộ, chẳng hạn thông qua quantum gate teleportation.

Nhóm QuTech đã chứng minh một phần then chốt của ý tưởng này trước khi prototype SnV xuất hiện. Trong một bài báo Nature Communications công bố tháng 5/2026, họ dùng hai node kim cương dựa trên NV center đặt trong hai cryostat riêng, kết nối bằng sợi quang dài khoảng 2 m. Mỗi node gồm một electron-spin qubit để giao tiếp và một ¹³C nuclear-spin qubit làm qubit dữ liệu. Nhóm đã tạo entanglement từ xa và thực hiện cổng CNOT giữa hai qubit dữ liệu ở hai node thông qua teleportation, không cần post-selection.

Thí nghiệm đó không phải chính prototype SnV vừa được Fujitsu công bố, nhưng nó trả lời một câu hỏi nền tảng: các thanh ghi spin trong kim cương có thể thực sự thực hiện phép toán lượng tử xuyên qua một optical link hay không. Prototype mới bổ sung mảnh ghép phần cứng khác — SnV và photonic integrated circuit — vốn được thiết kế để làm giao diện quang hiệu quả và dễ tích hợp hơn.

Prototype mới chưa phải một máy lượng tử lớn

Điểm đáng chú ý nhất của công bố này cũng là điểm dễ bị hiểu quá mức. Fujitsu gọi đây là prototype diamond-spin quantum computer có thể vận hành quantum gate với SnV tích hợp trên chip, nhưng tài liệu kỹ thuật của hãng mô tả hệ hiện tại là single module. Công bố không đưa ra một con số lớn về physical qubits, không trình diễn logical qubit chịu lỗi, và cũng chưa cho thấy nhiều module SnV đang chạy như một máy tính lượng tử thống nhất.

Nói cách khác, đây là một prototype của kiến trúc có khả năng nối module bằng ánh sáng, chứ chưa phải bằng chứng rằng bài toán scale đã được giải quyết. Ngay cả Kees Eijkel, General Director của QuTech, cũng nhấn mạnh rằng việc chứng minh khả năng mở rộng của diamond-spin quantum computing vẫn còn là một chặng đường dài và khó.

Một lợi thế kỹ thuật khác được Fujitsu nêu là nhiệt độ vận hành. Prototype hoạt động ở khoảng -271,6°C, tương đương khoảng 1,55 K. Con số này vẫn cực lạnh, nhưng cao hơn đáng kể so với mức khoảng -273,13°C mà nhiều hệ superconducting qubit thường cần. Điều đó có thể nới lỏng một phần yêu cầu cryogenic, song không đồng nghĩa hệ thống có thể chạy ở nhiệt độ phòng.

Bài kiểm tra thực sự sẽ đến vào năm 2027

Fujitsu cho biết mục tiêu tiếp theo là xây dựng prototype diamond-spin gồm nhiều quantum module vào năm 2027. Đó mới là lúc kiến trúc “nối kim cương bằng ánh sáng” phải chứng minh những câu hỏi khó nhất: tốc độ tạo entanglement giữa module có đủ cao hay không, photon loss ảnh hưởng thế nào đến throughput, fidelity của các cổng không cục bộ có giữ được khi số module tăng, và hệ điều khiển có thể đồng bộ nhiều node trong thời gian thực tới mức nào.

Nếu các bài toán đó được giải quyết, lợi ích của kiến trúc modular khá rõ: thay vì buộc mọi qubit, dây điều khiển và phần tử đọc ra cùng sống trên một chip ngày càng phức tạp, hệ thống có thể tăng quy mô bằng cách bổ sung các module được nối qua photonic interconnect. Nhưng hiện tại, công bố của Fujitsu nên được đọc như một bước tích hợp phần cứng quan trọng trên con đường đó — không phải như một quantum computer quy mô lớn đã hoàn thành.

Nguồn: Fujitsu, 8/9/2026; Nature Communications — Unconditionally teleported quantum gates between remote solid-state qubit registers; TU Delft — Surface-activated direct bonding of diamond for quantum applications; Fujitsu Quantum Technology Publications.